宋曉濱, 吳亞杰, 顧祥林, 姜英敏

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092)

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帶縱縫木梁抗彎承載力及修復(fù)方法研究

宋曉濱, 吳亞杰, 顧祥林, 姜英敏

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092)

摘要：木結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于荷載和溫、濕度變化等作用易在端部及中部發(fā)生平行于構(gòu)件縱軸的裂縫，導(dǎo)致縫端應(yīng)力集中以及削弱裂縫兩側(cè)木材的變形協(xié)調(diào)，進(jìn)而降低承載力.開展了帶縱縫木梁足尺試件彎曲加載試驗(yàn)和木材清樣小試件材性實(shí)驗(yàn)，考慮了不同試件材性的差異和木材材料強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)，確定了縱縫長度和位于梁截面高度處的位置等參數(shù)對木梁承載力的影響，并分析了采用新型自攻螺絲修復(fù)后帶縱縫木梁的承載力恢復(fù)性能.研究表明，縱縫位于木梁剪彎段截面中部的影響最大，承載力下降可達(dá)46.2%；在彎剪段施加自攻螺絲的修復(fù)效果最好，其修復(fù)率隨自攻螺絲間距增大而減小.采用200 mm間距時(shí)木梁承載力修復(fù)率可達(dá)1.12.

關(guān)鍵詞：木梁; 縱縫; 抗彎承載力; 自攻螺絲; 修復(fù)率; 尺寸效應(yīng)

木結(jié)構(gòu)與采用其他建筑材料建造的結(jié)構(gòu)相比，具有環(huán)保節(jié)能、建筑美觀、抗震性能好、以及高效靈活等優(yōu)點(diǎn).然而，木材作為各向異性材料，其抗剪和橫紋抗拉性能較弱，較易在荷載和濕度變化等因素作用下沿構(gòu)件軸線方向產(chǎn)生裂縫.此類裂縫會導(dǎo)致縫端應(yīng)力集中并破壞裂縫兩側(cè)木材的共同工作性能，從而顯著降低構(gòu)件的承載力.

國內(nèi)外學(xué)者針對帶縱縫木梁柱構(gòu)件的承載力性能開展了大量的試驗(yàn)研究.湯紅永等[1]、蔣銳等[2]分別開展了帶縱縫木柱在軸壓及偏壓荷載作用下的承載力性能研究.研究發(fā)現(xiàn)，荷載可進(jìn)一步導(dǎo)致縱縫發(fā)展直至試件沿縱縫分離為獨(dú)立受荷的兩肢.沈旸[3]、Akbiyik等[4]和Svecova等[5]發(fā)現(xiàn)，裂縫會導(dǎo)致帶縱縫木梁發(fā)生脆性剪切破壞或彎曲受拉破壞.Blass等[6]發(fā)現(xiàn)梁上開孔會導(dǎo)致孔附近的剪切應(yīng)力分布大大超過由基本梁理論計(jì)算所得結(jié)果.Calderoni等[7]測試了取自于既有木結(jié)構(gòu)的木梁構(gòu)件的抗彎性能并發(fā)現(xiàn)表面裂縫對其承載力有顯著影響.

此外，國外學(xué)者還提出了一系列帶縱縫木梁承載力計(jì)算方法.Newlin等[8]基于疊合木梁的抗彎試驗(yàn)提出了雙梁理論(Two-beam theory)；Norris和Erickson[9]建立了縫端應(yīng)力集中系數(shù)和縫長與梁高比率的關(guān)系；Barrent和Foschi[10]建立了II型(滑移剪切模式)應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算方法.Murphy[11]基于線彈性斷裂力學(xué)理論提出了帶端部劈裂裂縫的木梁在集中和均布荷載作用下的縫端應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算表達(dá)式.

帶裂縫木構(gòu)件的修補(bǔ)和加固方法也吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注.除了傳統(tǒng)的嵌補(bǔ)、剔補(bǔ)、下?lián)问嚼瓧U加固梁或者直接用新材替換等方法之外，國內(nèi)外學(xué)者先后提出了包括纖維材料、螺栓和普通拉力螺絲等新型修復(fù)加固材料和方法[12-15].以上方法大都缺乏定量的計(jì)算依據(jù)，且易損害既有木構(gòu)件的表觀特性，其應(yīng)用有一定的局限性.

近年來，帶有自攻鉆頭的新型自攻螺絲在木結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用.此類自攻螺絲抗拉強(qiáng)度可達(dá)800 MPa，直徑達(dá)16 mm，螺絲長度可超過2 m，無需預(yù)先鉆孔，因而可以滿足木結(jié)構(gòu)修復(fù)加固的實(shí)際需要，且不影響構(gòu)件的外觀.已有研究表明，新型自攻螺絲用于梁柱螺栓節(jié)點(diǎn)、縱向開裂木柱以及膠合木曲梁時(shí)可顯著提高構(gòu)件的承載力[16-17].

綜上所述，裂縫會導(dǎo)致木構(gòu)件縫端應(yīng)力集中、削弱縱縫兩側(cè)木材共同工作性能，從而降低構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的承載力.新型自攻螺絲用于開裂構(gòu)件的修復(fù)加固顯示除了獨(dú)特的優(yōu)勢，然而目前尚缺乏針對縱裂木梁承載力修復(fù)效果的系統(tǒng)全面的實(shí)驗(yàn)研究.因而，本文開展了帶縱縫木梁足尺加載試驗(yàn)和清樣小試件材性試驗(yàn)，討論了自攻螺絲對于帶縱縫木梁的承載力的修復(fù)效果，并揭示了縱縫長度、截面高度處位置以及自攻螺絲應(yīng)用部位和間距等參數(shù)的影響規(guī)律.

1木材清樣小試件材料性能試驗(yàn)

木材是一種自然生長的材料，其材性受到樹木生長速度、生長條件及缺陷等諸多因素的影響，因而變異性較大.為合理比較各木梁試件的承載力，以及開展相關(guān)理論計(jì)算和有限元數(shù)值計(jì)算，本文開展了基于清樣小試件的木材材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，獲取了木梁試件的材料力學(xué)性能(清樣小試件取自于加載后的木梁試件).

考慮到傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)中梁柱構(gòu)件的材質(zhì)一般較好，而所用木材或難以辨識、或市場供應(yīng)困難，故木梁及材性試件均采用北美花旗松(力學(xué)性能接近我國東北落葉松)制作.試件制作前木材自然風(fēng)干，實(shí)測含水率在9%～16%.此外，用于修復(fù)試件的新型自攻螺絲由德國某公司提供(型號016536200)，螺絲直徑6 mm，長度為200 mm.

主要開展了木材順紋抗拉、順紋抗壓、順紋抗剪和橫紋抗拉試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要用于確定木材的順紋抗拉強(qiáng)度ft0，順紋抗壓強(qiáng)度fc0，順紋初始彈性模量E0，順紋抗剪強(qiáng)度fτ和橫紋抗拉強(qiáng)度ft90.

材性試驗(yàn)主要參照我國《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GB1938—2009)[18]、《木材順紋抗壓彈性模量測定方法》(GB/T 1938—2009)[19]和美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(ASTM)的 D143-09試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[20]的相關(guān)規(guī)定，在每根木梁試件接近破壞處截取3～5個(gè)小試件(視試件制作難易程度以及耗材情況)進(jìn)行試驗(yàn)，共計(jì)測試了順紋抗拉和橫紋抗拉清樣小試件各87個(gè)和順紋抗壓和抗剪清樣小試件各145個(gè).木材材性試驗(yàn)的主要試驗(yàn)結(jié)果如表1中所示，其中梁試件編號含義詳見表2.

此外，參考《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)》(GB228—2002)標(biāo)準(zhǔn)[21]，對3根直徑6 mm的自攻螺絲開展了的靜力拉伸試驗(yàn)，測試了自攻螺絲的抗拉強(qiáng)度.試驗(yàn)結(jié)果表明，自攻螺絲的屈服強(qiáng)度為474 MPa，變異系數(shù)為0.02.

2自攻螺絲修復(fù)帶縱縫木梁彎曲加載試驗(yàn)

通過對35根足尺木梁試件(包括完整木梁、縱向開裂木梁和自攻螺絲修復(fù)的帶縱縫木梁三類試件)的三分點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)，研究帶縱縫木梁的破壞機(jī)制和承載力性能，并分析了縱縫長度、截面高度處位置以及自攻螺絲修復(fù)位置和螺絲間距等因素對修復(fù)效果的影響.

實(shí)際結(jié)構(gòu)中，由于木材材性、服役環(huán)境和所受荷載的差異，木梁的具體開裂位置、裂縫寬度和長度等都較為隨機(jī)，其對梁承載力的影響也各不相同，因而難以直接通過對比試驗(yàn)分析裂縫的影響.本文以對同種木材、相同尺寸木梁試件沿縱軸方向開槽(截面寬度方向貫通、裂縫寬度3 mm，詳見圖1)的方式控制縱縫的形態(tài)，并通過變化縱縫的長度和截面高度處位置研究其對梁試件承載力性能的影響.

采用力學(xué)性能和我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)中常用的東北落葉松接近的北美花旗松制作試件，并依據(jù)常見木梁構(gòu)件截面尺寸和《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50329—2012)[22]相關(guān)規(guī)定，取木梁試件尺寸為100×200×3 800 mm(包括兩端伸出支座100 mm，試件實(shí)際跨高比18.0).

注：1試件組RL4和RL5采用沿梁全長自攻螺絲修復(fù)，因而無法提取材性試件，其各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)取為其余所有同類試件(共87個(gè))的平均值;2表中括號內(nèi)數(shù)值為相應(yīng)強(qiáng)度或彈性模量的均方差

注：修復(fù)方式①為采用45°螺絲貫入角，分別在梁端和縫端之間和縫端到加載點(diǎn)之間采用100和200 mm螺絲間距；修復(fù)方式②在①的基礎(chǔ)上修改螺絲間距為150和300 mm；而修復(fù)方式③在純彎段采用60°貫入角和185 mm間距，見圖1.

2.1試驗(yàn)方法

試件根據(jù)縱縫長度a，截面高度處位置d(裂縫面到梁試件地面的距離)以及自攻螺絲(直徑6 mm，長度200 mm)修復(fù)位置(剪彎區(qū)或純彎區(qū))和間距s等參數(shù)分為9組.考慮到梁頂部荷載對位于截面中上部的裂縫開展有抑制作用，相應(yīng)裂縫的影響較小，因而在試驗(yàn)研究中僅考慮位于截面中下部的裂縫.各組試件的具體信息和試驗(yàn)?zāi)康厝绫?和圖1所示.

圖1　帶縱縫木梁試件及修復(fù)方式示意圖(單位：mm)

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)室進(jìn)行.試驗(yàn)加載采用量程為250 mm的WAG-3000D 500 kN萬能試驗(yàn)機(jī).所有梁試件一端鉸支、一端滑動支座，并承受三分點(diǎn)荷載作用.荷載由液壓作動器經(jīng)由單向刀鉸施加于分配梁并傳遞至試件三分點(diǎn)處.試驗(yàn)采用單調(diào)加載和位移控制，加載速率為3 mm·min-1.加載前在試件全長范圍內(nèi)選取三處測量截面尺寸和含水率.加載初期以10%的預(yù)估極限荷載預(yù)加載一次并卸載，隨后以3 mm·min-1的速度持續(xù)加載直至試件破壞.試件破壞后在破壞區(qū)域附近截取木材小試件用于木材力學(xué)性能實(shí)驗(yàn).

試驗(yàn)中主要測量試件的豎向荷載、跨中撓度、跨中截面的法向(彎曲)應(yīng)變及縱縫端部的應(yīng)變.其中，荷載由試驗(yàn)機(jī)內(nèi)置測力計(jì)讀取并保存；跨中撓度由分別布置于梁端和跨中的3個(gè)位移計(jì)測量相對撓度；跨中截面彎曲應(yīng)變由在沿高度方向間隔50 mm布置的應(yīng)變片測得(對于帶縱縫梁，在縱縫上下側(cè)各增設(shè)一個(gè)測點(diǎn))；而縫端應(yīng)變則采用應(yīng)變花測量.具體試驗(yàn)裝置和測點(diǎn)布置如圖2所示.

圖2　帶縱縫木梁彎曲加載試驗(yàn)裝置和測點(diǎn)布置

2.2主要破壞模式

由基本梁理論可知，位于彎剪段的縱縫會減少有效抗剪面積并導(dǎo)致縫端應(yīng)力集中，從而削弱木梁的抗剪承載力；同時(shí)，彎剪段抗剪面積減少會導(dǎo)致裂縫上下兩肢變形協(xié)調(diào)弱化，削弱抗彎承載力.因而，帶縫未修復(fù)梁可能發(fā)生剪切破壞或彎曲破壞.而自攻螺絲修復(fù)則通過自攻螺絲參與抗剪和傳遞木材剪應(yīng)力、緩解應(yīng)力集中的方式修復(fù)和提高試件的抗剪和抗彎承載力.

本次試驗(yàn)中，完整木梁均發(fā)生典型彎曲破壞(圖3a)：在試件跨中純彎段(彎矩最大)受拉區(qū)底部發(fā)生彎曲受拉破壞.此外，部分順紋抗拉強(qiáng)度較高(沒有木節(jié)或木節(jié)較小)的試件在荷載接近最大值時(shí)由于受壓區(qū)木材發(fā)生壓潰褶皺而發(fā)生較延性的彎曲破壞.帶縱縫未修復(fù)梁的破壞模式隨縱縫長度和截面高度位置而變化.試件組L2(縫長2 400 mm且位于截面中部)部分試件發(fā)生剪切破壞(圖3b)；其余試件由于順紋抗拉強(qiáng)度較低而提前發(fā)生彎曲破壞；試件組L3縱縫位于純彎段，縫端應(yīng)力集中效應(yīng)不明顯，試件均發(fā)生彎曲破壞，承載力沒有明顯下降；而試件組L4(縫長2 400 mm且位于截面下側(cè))縫端剪應(yīng)力相對較小，最終發(fā)生彎剪耦合破壞(圖3c)，承載力有一定的下降.自攻螺絲修復(fù)試件均發(fā)生彎曲破壞(圖3d)，彎曲破壞區(qū)域小于完整梁，且表現(xiàn)出更好的延性.這主要是由于自攻螺絲參與抗剪緩并限制了裂縫的擴(kuò)展.

2.3荷載—位移/應(yīng)變關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)中測得的三分點(diǎn)荷載P及梁跨中相對撓度、跨中截面應(yīng)變分布以及縱縫端部的主拉應(yīng)變建立了帶縱縫木梁荷載-撓度和荷載—應(yīng)變曲線，并和完整梁的相應(yīng)曲線對比，從而評價(jià)分析縱縫和自攻螺絲修復(fù)方法對構(gòu)件承載力和變形性能的影響.

為了分析裂梁析縫端處應(yīng)變相比完整梁的變化，在完整梁相應(yīng)位置處同樣采用應(yīng)變花測取應(yīng)變值.由于剪應(yīng)變γxy受縫端形狀和應(yīng)力集中影響較大，因而試驗(yàn)結(jié)果較為離散.本文主要討論縫端主拉應(yīng)變和荷載的關(guān)系曲線.限于篇幅，僅選取了完整木梁試件組L1、截面中部設(shè)縫木梁試件組L2及采用修復(fù)方式①的試件組RL1的試驗(yàn)結(jié)果加以討論，相應(yīng)結(jié)果分別如圖4～圖6所示.各試件組的極限承載力如表3所列.

由圖4可以看出，完整梁的荷載—撓度曲線非線性較為明顯，極限荷載對應(yīng)撓度較大(>60 mm，撓跨比Δ/l>1/60)，且承載力較高.而開裂未修復(fù)梁承載力均有降低，其中試件組L2脆性最為明顯，承載力下降也最大，極限荷載對應(yīng)撓度均小于60 mm；而開裂試件經(jīng)自攻螺絲修復(fù)后，荷載—撓度曲線都表現(xiàn)出明顯的非線性，其承載力和極限荷載對應(yīng)撓度基本恢復(fù)、甚至超過完整梁水平(極限荷載對應(yīng)撓度最大達(dá)120 mm，相應(yīng)撓跨比Δ/l=1/30).由圖4還可看出，由于試件材質(zhì)的差異，同組試件以及各組間試件的極限承載力差異較大.

a 彎曲破壞

b 剪切破壞

c 彎剪破壞

d 彎曲破壞

由圖5可以看出，完整木梁的截面應(yīng)變分布基本滿足平截面假定，且應(yīng)變發(fā)展和荷載水平η基本呈線性關(guān)系；而開裂木梁縱縫上下側(cè)應(yīng)變則發(fā)生突變，這表明縱縫改變了剪應(yīng)力的分布，裂縫上下側(cè)兩肢變形不再滿足協(xié)調(diào)條件.然而上下兩肢的曲率卻基本相同.自攻螺絲修復(fù)后的試件的縱縫上下側(cè)應(yīng)變差異有所減?。涸嚰MRL3經(jīng)自攻螺絲在純彎段修復(fù)后上下兩肢變形基本恢復(fù)到完整梁水平，而其他試件(縱縫位于彎剪段且在截面高度1/2h或1/4h

圖4　部分試件荷載-跨中相對撓度關(guān)系曲線比較

圖5　部分試件荷載-跨中截面應(yīng)變豎向分布比較

處)的應(yīng)變突變隨荷載增大而有所增加，但上下肢曲率依然保持基本相等.

由圖6可見，荷載與縱縫端部主拉應(yīng)變近似呈線性關(guān)系，且開裂木梁的曲線斜率有所減小，這主要是由于縱縫縫端的應(yīng)力集中效應(yīng)削弱了材料剛度.而自攻螺絲修復(fù)后木梁的荷載主應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)出一定的非線性，且曲線的初始斜率有所提高.這表明自攻螺絲參與抗剪并分散了縫端應(yīng)力，減小了應(yīng)力集中的影響.

圖6　部分試件荷載-縫端主應(yīng)變關(guān)系曲線比較

3帶縱縫木梁承載力性能及主要影響因素分析

木材力學(xué)性能易受到各種缺陷的影響而表現(xiàn)出較大的隨機(jī)性.為了合理比較和評價(jià)裂縫以及自攻螺絲修復(fù)對梁承載力的影響，首先需要消除由材性差異導(dǎo)致的梁試件承載力的差異.由于大部分試件發(fā)生彎曲破壞(表3)，因而主要考慮抗彎承載力的比較.

3.1考慮尺寸效應(yīng)的木材順紋抗彎強(qiáng)度fm計(jì)算方法

由于各梁試件加載破壞后可用于制作材性試件的材料有限，且為了對每根梁試件盡可能多地制作材性試件以降低材性試驗(yàn)誤差，通過順紋抗拉試驗(yàn)得到順紋抗拉強(qiáng)度ft0，并計(jì)算木材順紋抗彎強(qiáng)度fm.由于試件尺寸和缺陷分布的差異，基于順紋抗拉強(qiáng)度ft0計(jì)算木材順紋抗彎強(qiáng)度fm還需要考慮尺寸效應(yīng)的影響.

由韋布最弱環(huán)節(jié)理論[23]可知，清樣小試件順紋抗拉強(qiáng)度ft0和足尺梁試件順紋抗彎強(qiáng)度fm存在如下關(guān)系：

如單位體積(V0)木材的強(qiáng)度概率分布符合韋布分布，則對于體積為V且受到分布應(yīng)力σ(x,y,z)作用的同種木材試件，其失效概率函數(shù)可根據(jù)串聯(lián)體系聯(lián)合概率計(jì)算方法表示為

(1)

式中，m和k分別為兩參數(shù)韋布分布的比例參數(shù)和形狀參數(shù).在相同失效概率的基礎(chǔ)上比較同種材料、不同應(yīng)力分布(考慮體積V1和V2，應(yīng)力分布函數(shù)σ1(x,y,z)和σ2(x,y,z)的兩試件的最大應(yīng)力(即強(qiáng)度)σ1,max和σ2,max可得如下關(guān)系：

(2)

式(2)中最大應(yīng)力σ1,max和σ2,max是和位置變量x,y,z無關(guān)的常數(shù).考慮清樣小試件順紋受拉試件中部均勻受拉段(圖2)的應(yīng)力ft0和相應(yīng)體積V1，同時(shí)考慮木梁試件正截面彎曲拉應(yīng)力(不考慮彎曲受壓區(qū)域)分布函數(shù)σ(x,y,z)、最大應(yīng)力fm以及彎曲受拉體積V2，則可根據(jù)式(2)建立ft0和fm的關(guān)系如下:

(3)

式(3)中參數(shù)k的取值可根據(jù)相關(guān)材料強(qiáng)度(如順紋抗拉強(qiáng)度ft0)的概率分布擬合得到，也可由不同應(yīng)力分布的試件的實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)反算得到.根據(jù)完整木梁試件(試件組L1)的平均順紋抗彎強(qiáng)度fm(可根據(jù)極限荷載和梁截面模量計(jì)算得到)和相應(yīng)清樣小試件的平均順紋抗拉強(qiáng)度度ft0由式(3)反算得到k=6.12.其余試件組(帶縫)的梁試件的順紋抗彎強(qiáng)度fm即可根據(jù)相應(yīng)順紋抗拉強(qiáng)度ft0由式(3)按照實(shí)際拉應(yīng)力分布σ(x,y,z)數(shù)值積分得到.

3.2自攻螺絲修復(fù)帶縱縫木梁相對承載力系數(shù)

根據(jù)各梁試件承載力實(shí)驗(yàn)值Mtest和根據(jù)順紋抗彎強(qiáng)度fm計(jì)算得到的木梁理論抗彎承載力Mtheory(不考慮裂縫和自攻螺絲影響，即相應(yīng)完整梁的承載力)計(jì)算承載力相對系數(shù)β如下：

(4)

注：1試件組RL4和RL5采用沿梁全長自攻螺絲修復(fù)，因而無法取材性試件，其順紋抗拉強(qiáng)度取為其余所有同類試件(共87個(gè))的平均值;2計(jì)算相對承載力系數(shù)均值時(shí)沒有考慮各試件組中異常數(shù)值(異常數(shù)值通常時(shí)由于局部缺陷導(dǎo)致梁試件和材性試驗(yàn)結(jié)果不一致)

式中:Pmax為試驗(yàn)測得的梁試件三分點(diǎn)荷載最大值;l為試件計(jì)算跨度;h為試件截面高度;Ix為試件截面慣性矩.

分別記完整梁、開裂梁以及自攻螺絲修復(fù)梁的相對承載力系數(shù)為β0，β和βr，由此可通過比較開裂梁和完整梁以及修復(fù)梁的相對承載力系數(shù)計(jì)算得到開裂木梁承載力自攻螺絲修復(fù)率γ，即

(5)

各試件材性和承載力試驗(yàn)結(jié)果以及相對承載力系數(shù)β和修復(fù)率γ的計(jì)算結(jié)果如表3中所列.

3.3自攻螺絲修復(fù)帶縱縫木梁承載力的主要影響因素

比較表3中各試件組的相對承載力系數(shù)的平均值可建立縱縫長度和所處截面高度對木梁的承載力的影響規(guī)律，以及自攻螺絲修復(fù)位置和間距等因素對其修復(fù)效率γ的影響規(guī)律.由表3結(jié)果可以看出，帶縱縫木梁承載力相對完整梁有明顯下降.其中，試件組L2承載力下降幅度最大(46.2%)，試件組L4其次(27.4%)，試件組L3的降幅最小(11.3%).由理論分析可知，位于截面中部的縱縫最大可導(dǎo)致木梁承載力下降50%(完全裂通，兩肢疊合狀態(tài)下)，因而本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本合理.

3.3.1縱縫對開裂木梁承載力下降的影響規(guī)律

試件組L2的縱縫位于截面中部，剪應(yīng)力最大，因而縫端應(yīng)力集中明顯.試件主要發(fā)生剪切破壞.部分發(fā)生彎曲破壞的試件主要是由于在純彎段存在較大的木節(jié)或斜紋缺陷，導(dǎo)致相應(yīng)抗彎強(qiáng)度過低.

試件組L3的縱縫基本位于純彎段，剪應(yīng)力影響較小，兩肢變形協(xié)調(diào)在極限荷載前均保持較好.試驗(yàn)承載力下降主要由材性測量的誤差引起(完整梁相對承載力系數(shù)1.06屬偏高).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此類裂縫導(dǎo)致承載力下降較小，裂縫基本無需修復(fù).

試件組L4的縱縫位于截面1/4h高度處，理論上剪應(yīng)力小于試件組L2中的剪應(yīng)力，縫端應(yīng)力集中效應(yīng)也較輕微，試件承載力的下降主要由縫端彎剪耦合作用引起.試件破壞表現(xiàn)為縫端裂縫擴(kuò)展和下肢拉斷(見表3試件破壞模式匯總).

3.3.2自攻螺絲間距和位置對木梁承載力修復(fù)效果的影響規(guī)律

各組試件采用自攻螺絲修復(fù)后承載力相對于未修復(fù)試件均有明顯的提高，說明所采用的三種修復(fù)方式(①剪彎段修復(fù);②純彎段修復(fù);③全長修復(fù))均有效，且當(dāng)自攻螺絲間距不過大時(shí)(試件組RL2考慮2倍間距)修復(fù)試件的承載力接近甚至超過完整梁承載力，證明了自攻螺絲優(yōu)異的修復(fù)效果.

試驗(yàn)結(jié)果也表明，自攻螺絲間距對修復(fù)效果有顯著影響.試驗(yàn)中對試件組L2在剪彎段分別采用200 mm間距(RL1)和300 mm間距(RL2)可分別實(shí)現(xiàn)1.12和0.69的修復(fù)率.由此可見，修復(fù)率隨自攻螺絲間距增加而減小.

此外，試驗(yàn)結(jié)果表明，在剪彎段使用自攻螺絲修復(fù)比在純彎段使用更為有效.通過比較針對L2試件組的修復(fù)方式①(彎剪段修復(fù)，相應(yīng)試件組RL1)和修復(fù)方式①+③ (彎剪段+純彎段修復(fù)，相應(yīng)試件組RL4)的修復(fù)效果(分別為1.12和1.06)可知，純彎段修復(fù)對木梁抗彎承載力幾乎沒有影響.比較僅采用修復(fù)方式③的試件組RL3和未修復(fù)試件組L3的試驗(yàn)結(jié)果(相對承載力系數(shù)分別為1.05和0.94)可以得出同樣的結(jié)論.

4結(jié)論

開展了帶縱縫木梁足尺試件彎曲加載試驗(yàn)，研究了帶有不同形式縱縫的木梁承載力下降規(guī)律，量化了以不同方式和間距施加的自攻螺絲對于帶縱縫木梁的承載力的恢復(fù)效果.研究結(jié)果表明，位于剪彎段的縱縫的影響主要表現(xiàn)為縫端應(yīng)力集中和純彎段裂縫上下兩肢的變形協(xié)調(diào)性(即共同工作)的下降，因此位于截面中部的縱縫影響最大，相應(yīng)的梁試件承載力相比完整梁下降達(dá)46.2%，而位于純彎段的裂縫對試件承載力影響較小.此外，在剪彎段施加自攻螺絲對于帶縱縫木梁的修復(fù)效果最好，且修復(fù)效果隨間距的增大而下降.本文中以200 mm間距采用彎剪段自攻螺絲修復(fù)可實(shí)現(xiàn)1.12的修復(fù)率，即修復(fù)后試件的相對承載力系數(shù)高于完整試件.

限于現(xiàn)有研究條件，沒有考慮更多的試件尺寸和縱縫長度，也沒有提出便于工程應(yīng)用的承載力計(jì)算公式.以上問題將在后續(xù)研究中采用數(shù)值模擬結(jié)合斷裂力學(xué)理論做進(jìn)一步探討.

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Flexural and Shearing Capacities of Longitudinally Cracked and Retrofitted Wood Beams

SONG Xiaobin, WU Yajie, GU Xianglin, JIANG Yingmin

(College of Civil Engineering, Tongji University， Shanghai 200092， China)

Abstract：Wood structural members are prone to end-splitting and cracking along the longitudinal axis, due to external loading and changes of humidity. Such cracks can impair the structural integrity and lead to stress concentration in the vicinity of the crack tips, thereby significantly reduce the load carrying capacity of the wood members. This paper presents the results of full-scale bending tests with longitudinally cracked wood beams. With consideration of the variation of specimen quality and the size effect of wood strength properties, the influence of crack length and position along the cross-sectional height on the bending resistance of the wood beams was identified. The retrofitting effect of self-tapping screws was also investigated considering different provisions and spacings. It was found that the longitudinal cracks within the shear span and at the mid-height of the cross-section can lead to the biggest decrease (46.2%) of the bending resistance, and the self-tapping screws are most efficient (retrofitting ratio of 1.12) while applied to the shear span and the retrofitting effect may decrease with the increasing of the screw spacing.

Key words：wood beams; longitudinal cracks; bending resistance; self-tapping screws; retrofitting efficiency; size effect

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：TP1

通訊作者：顧祥林(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)全壽命維護(hù)和設(shè)計(jì)、材料和結(jié)構(gòu)破壞過程分析、結(jié)構(gòu)性能提升技術(shù)以及新材料和結(jié)構(gòu)體系性能.E-mail:gxl@#edu.cn

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51478336)；教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金

收稿日期：2015—05—22

第一作者： 宋曉濱(1977—)，男，副教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)全壽命維護(hù)和設(shè)計(jì)以及新材料和結(jié)構(gòu)體系性能. E-mail: xiaobins@#edu.cn